Как работает космический ракетный двигатель?

Это не вертикальный полет

Земля не плоская, и это неоспоримый факт. Земля даже не шар, ведь она немного сплюснута по полюсам. Как взлетают ракеты в таких условиях? Поэтапно, в несколько стадий и не вертикально.

Самое большое заблуждение нашего времени состоит в том, что ракеты взлетают вертикально. Это совсем не так. Такая схема выхода на орбиту возможна, но очень неэффективна. Ракетное топливо заканчивается очень быстро. Иногда – менее чем за 10 минут. Для такого взлета попросту не хватит топлива. Современные ракеты взлетают вертикально только на начальном этапе полета. Затем автоматика начинает давать ракете небольшой крен. Причем чем выше высота полета, тем заметнее угол крена космической ракеты. Так, апогей и перигей орбиты формируются сбалансированно. Таким образом достигается максимально комфортное соотношение между эффективностью и расходом топлива. Орбита получается близкой к идеальному кругу. Идеальной же она не будет никогда.

Если ракета взлетает вертикально вверх, получится невероятно огромный апогей. Топливо закончится раньше, чем появится перигей. Иными словами, ракета не только не вылетит на орбиту, но и из-за нехватки топлива полетит по параболе обратно на планету.

Принципы действия

Тепловая энергия играет важную роль в запуске космических ракет. Основой работы ракеты является закон Ньютона, гласящий, что на каждое действие есть равное и противоположное действие. Это означает, что чтобы запустить ракету в космос, необходимо оказать на нее действие, создав мощный поток газов, который обеспечит тягу, необходимую для поднятия ракеты с поверхности Земли.

Основой функционирования двигателя ракеты является принцип реактивной тяги. В ракетном двигателе сжигаются горючие смеси, и происходит выход газов в выхлопную трубу со скоростью, превышающей скорость звука. Давление, создаваемое этими горячими газами, создает силу, направленную в том направлении, в котором труба направлена.

Тепловая энергия ускоряет газы, создавая тягу. Как правило, в качестве горючего используются специальные смеси, главным компонентом которой является жидкий кислород и водород. В процессе сгорания они создают большое количество тепла и газов, которые ускоряются в трубе и создают необходимую тягу для движения ракеты.

Тепловая энергия также используется для запуска ракеты в космическую орбиту. Для этого ракета должна преодолеть силу тяжести и достигнуть скорости, необходимой для перехода в космическую орбиту. В качестве источника тепловой энергии используют горелки и другие технические средства, которые генерируют тепло, необходимое для создания тяги и запуска ракеты в космическую орбиту.

Почему ракеты запускаются вертикально?

В контексте космических технологий ракета — это то, что может отправлять людей и вещи в космос. Это то тонкое, цилиндрическое, очень высокое транспортное средство, которое взлетает со стартовой площадки, оставляя за собой огромное облако дыма. Теоретически он может запускаться как самолет, взлетающий с взлетно-посадочной полосы, но это потребует ряда изменений в нынешних конструкциях ракет, не говоря уже о том, что это будет совершенно неэкономично. (Посмотрите, почему космические шаттлы не взлетают как самолеты?)

Ракеты запускаются вертикально с огромной восходящей тягой благодаря их собственным двигателям и прикрепленным к ним твердотопливным ускорителям (которые сбрасываются вскоре после запуска). После запуска ракета набирает высоту сначала медленно; но к концу первой минуты подъема ракета движется со скоростью 1000 миль в час (1609 км в час). (Источник)

Во время полета по небу ракета теряет значительную часть своей энергии из-за сопротивления воздуха, и ей необходимо убедиться, что она достигает достаточно большой высоты, когда большая часть ее топлива израсходована. Вот почему изначально ракета летит очень быстро, так как ей нужно пересечь самую толстую часть атмосферы на минимально возможном расстоянии.

Теория, противоречащая здравому смыслу

Тепло, которое образуется, будет собираться в двух местах – в пограничном слое (по сути, на поверхности космического корабля). И в ударной волне. Если большая часть этого тепла будет собрана ударной волной, то меньше тепла повлияет на поверхность космического корабля.

В начале 1950-х годов Джулиан Аллен и Альфред Эггерс обнаружили, что форма объекта влияет на то, насколько далеко от объекта формируется ударная волна. И что это, кажется, противоречит здравому смыслу.

Ударная волна находится дальше всего от объекта, когда объект имеет тупую, а не аэродинамическую форму.

Короче говоря, сделав нижнюю часть космического корабля слегка закругленной, но значительно тупой, можно избежать попадание большого количества тепла на космический корабль.

Но этого открытия было недостаточно, чтобы космический корабль смог пережить путешествие. Много тепла все еще передавалось от тех молекул воздуха, которые касались поверхности. Нужна была еще одна замечательная интеграция науки и техники.

Если вы когда-либо карамелизировали сахар, вы наблюдали явление, называемое пиролизом. Пиролиз происходит, когда органическое вещество нагревается выше температуры его разложения. Разрывая связи и вызывая отрыв мелких обугленных кусочков.

Инженеры выяснили, как использовать этот процесс. Чтобы уменьшить количество тепла, которое проходит с поверхности космического корабля внутрь.

Когда вы смотрите на фотографии командного модуля “Аполлон”, он выглядит как блестящий металл. Но этот блестящий металл – всего лишь тонкий слой каптоновой ленты с алюминиевым покрытием.

Под этой лентой находится похожее на глину вещество. При падении сквозь атмосферу, внешние молекулы теплозащитного экрана поглощали это тепло. А затем, когда молекулы разрушались, крошечные кусочки теплозащитного экрана отрывались. И уносились потоком воздуха.

С собой они несли большую часть поглощённого тепла. Затем следующий слой повторит процесс. Нагреваясь, подвергаясь пиролизу, отламывая маленькие кусочки. Которые улетают от космического корабля, унося с собой тепло.

В основе всего — двигатель

Любое тело не способно двигаться само по себе. Должно быть что-то, что заставляет его это делать. В данном случае это ракетный двигатель. Ракета, взлетая в космос, не теряет своей способности двигаться. Для многих это непонятно, ведь в вакууме реакция горения невозможна. Ответ максимально прост: принцип работы ракетного двигателя немного иной.

Итак, ракета летит в безвоздушном пространстве. В ее баках находится два компонента. Это топливо и окислитель. Их смешивание обеспечивает воспламенение смеси. Однако из сопел вырывается не огонь, а раскаленный газ. В этом случае нет никаких противоречий. Такая установка прекрасно работает в вакууме.

Ракетные двигатели бывают нескольких типов. Это жидкостные, твердотопливные, ионные, электрореактивные и ядерные. Первые два вида применяются чаще всего, так как способны давать наибольшую тягу. Жидкостные применяются в космических ракетах, твердотопливные – в межконтинентальных баллистических с ядерным зарядом. Электрореактивные и атомные предназначены для максимально эффективного передвижения в вакууме, и именно на них возлагают максимум надежд. В настоящее время вне тестовых стендов они не применяются.

Однако недавно Роскосмос разместил заказ на разработку орбитального буксира с ядерным двигателем. Это дает повод надеяться на развитие технологии.

Особняком держится узкая группа двигателей орбитального маневрирования. Они предназначены для управления космическим аппаратом. Однако используются не в ракетах, а в космических кораблях. Их недостаточно для полетов, но хватает для маневрирования.

Физические законы, лежащие в основе полета ракеты

Закон сохранения импульса: при запуске ракеты от детали, с покоя, на нее действует равномерный зажим. Следовательно, по закону сохранения импульса, ракета начинает двигаться в противоположном направлении с той же скоростью.

Таким образом, ракета взлетает благодаря тому, что газы, выходящие из сопла двигателя, создают силы реакции на корпус, которые приводят к тому, что ракета начинает двигаться в противоположном направлении.

Закон Архимеда: при движении ракеты через атмосферу, ей действует сопротивление воздуха. Но при этом, по закону Архимеда, на тело, помещенное в жидкость (в данном случае воздух), действует сила выталкивания равная весу пропитавшей его жидкости/газа.

Закон Ньютона: по третьему закону Ньютона, каждое действие имеет равное и противоположное действие. Следовательно, газы, выходящие из ракетного двигателя, действуют на него и создают силы реакции на корпус, что направляет ракету в противоположном направлении.

Закон действия и противодействия: Закон действия и противодействия играет огромную роль в обеспечении полета ракеты. Он гласит, что каждое действие имеет равное и противоположное действие. Таким образом, когда ракета начинает извергать газы, чтобы достичь скорости, она также испытывает силу реакции, которая позволяет ей ускоряться в противоположном направлении.

Закон сохранения энергии: Закон сохранения энергии применяется в полете ракеты, однако, он не является принципальным фактором ее движения. Суть закона заключается в том, что энергия превращается из одной формы в другую без потерь. В случае ракеты, это может произойти при перевозке грузов или топлива на орбиту.

Таким образом, все эти законы играют ключевую роль в обеспечении полета ракеты. Без их учета ракета не смогла бы взлететь и двигаться в космической среде некоторое время.

Космическая гонка

Не так давно две могучие сверхдержавы находились в состоянии холодной войны. Это было похоже на бесконечное состязание. Многие этот промежуток времени предпочитают описывать как обычную гонку вооружений, но это совершенно не так. Это гонка науки. Именно ей мы обязаны многими гаджетами и благами цивилизации, к которым так привыкли.

Космическая гонка была лишь одним из важнейших элементов холодной войны. Всего за несколько десятилетий человек перешел от обычных атмосферных полетов к высадке на Луне. Это невероятный прогресс, если сравнивать с другими достижениями. В то прекрасное время люди думали, что освоение Марса — это куда более близкая и реальная задача, чем примирение СССР и США. Именно тогда люди были максимально увлечены космосом. Практически каждый студент или школьник понимал, как взлетает ракета. Это не было сложным знанием, наоборот. Такая информация была простой и очень интересной

Астрономия приобрела чрезвычайную важность среди других наук. В те годы никто и сказать не мог, что Земля плоская

Доступное образование повсеместно ликвидировало невежество. Однако те времена давно прошли, и сегодня все совсем не так.

Силы при полете ракеты

Главной силой, заслуживающей внимания при полете ракеты, является сила тяги. Эта сила возникает за счет сжигания топлива в двигателях и выталкивания продуктов сгорания наружу. Чем больше сила тяги, тем быстрее может двигаться ракета и подниматься вверх.

Сила аэродинамического сопротивления также играет важную роль. Эта сила возникает на поверхности ракеты в результате ее движения сквозь атмосферу. Чтобы уменьшить сопротивление, ракета взлетает под углом к поверхности и восходит наиболее эффективно, когда скорость высокая.

Сила тяжести направлена вниз и оказывается на ракету всегда, но она становится более очевидной в моменты, когда ракета не летит в вертикальном направлении. Сила тяжести ограничивает возможности ракеты лететь на большие расстояния, так как ее влияние возрастает с увеличением высоты.

Силы бокового давления возникают в тех случаях, когда ракета летит в бок. Они оказывают давление на боковую поверхность и могут исказить траекторию полета. Таким образом, ракета может лететь точнее и безопаснее, если ее конструкция имеет гладкие формы и ей удалось разогнаться до достаточно высокой скорости.

Сила подъемной силы возникает за счет обтекания поверхности ракеты воздухом. Эта сила используется в крыльях, где она позволяет самолету держаться в воздухе. В случае ракеты она не играет системной роли, однако возникает на высоких скоростях и может влиять на динамику полета.

За счет чего летит ракета?

Многие думают, что ракета движется оттого, что газы, выброшенные из сопла, отталкиваются от воздуха. Но это не так. Именно сила, которая выбрасывает газ из сопла, толкает ракету в космос. Действительно ракете легче летать в открытом космосе, где нет воздуха, и ничто не ограничивает полет частиц газа, выброшенного ракетой, а чем быстрее распространяются эти частицы, тем быстрее летит ракета.

То есть, между космическим кораблем и воздухом нет трения, которое могло бы затормозить полет. Трения нет, потому что в открытом космосе нет воздуха. Кроме того, при значительном удалении от Земли корабль становится практически невесомым. Поэтому даже слабый толчок двигателя может легко сдвинуть с места очень большой по размерам корабль.

Выход на орбиту

Основная цель большинства ракет — достичь орбиты планеты и остаться там. На орбите планеты гравитационное притяжение планеты достаточно велико, чтобы удержать ракету от уноса в открытый космос, и достаточно низко, чтобы ракете не нужно было сжигать огромное количество топлива, чтобы не упасть обратно на Землю.

Чтобы выйти на орбиту, ракета сначала начинает наклоняться на бок и постепенно увеличивает этот наклон, пока не достигнет эллиптической орбиты вокруг Земли. При этом достижение правильной орбитальной траектории непросто; это происходит за счет огромного количества топлива, которое расходуется для достижения невероятной горизонтальной скорости 28 968 км / ч (18 000 миль / ч) (Источник). Этот метод оптимизации траектории космического корабля так, чтобы он достиг желаемой траектории, называется гравитационный поворот или разворот без подъема.

Применение тепловой энергии в космических полетах

Термоядерный двигатель — это одно из наиболее перспективных направлений использования тепловой энергии в космических полетах. Он основан на процессах ядерного синтеза водорода, при которых выделяется огромное количество энергии. Данная технология позволит избавиться от забеспокоенности о запасах топлива и сделает космические полеты значительно дешевле.

Солнечные батареи могут стать источником тепловой энергии на космических кораблях. Они позволяют преобразовывать солнечный свет в электрическую энергию, которая может быть использована для питания различных систем.

Теплозащита — одно из самых важных применений тепловой энергии в космических полетах. Во время входа в атмосферу космический корабль нагревается до очень высокой температуры, которая может привести к его разрушению. Чтобы избежать этого, необходимо использовать теплозащитные материалы, которые способны поглотить и распределить полученную тепловую энергию.

Термоэлектрические генераторы также используются на космических кораблях для генерации электрической энергии из тепловой. Они работают по принципу преобразования тепловой энергии в электрическую с помощью термоэлектрического эффекта.

Теплообменники используются для регулирования температуры на космических кораблях. Они позволяют передавать тепловую энергию с одного элемента на другой и снижают риск перегрева и переохлаждения различных систем.

Таким образом, применение тепловой энергии в космических полетах является необходимым для обеспечения безопасности и эффективности космических миссий. Оно позволяет использовать наиболее передовые технологии и значительно снизить расходы на космические программы.

Почему у ракеты меняется угол траектории после пуска?

Я думаю, что большая часть путаницы в отношении траектории ракеты проистекает из общего предположения, что большинство ракет просто хотят избежать гравитации Земли и достичь «космоса». Хотя это не является технически некорректным, это не дает четкой картины.

Во-первых, вы должны понимать, что космос не так уж и далек (вы можете проверить: где начинается космос?). Если вы летите на высоте более 100 км (62 миль) над Землей, вы официально считаются «в космосе». Военно-воздушные силы США назовут вас «космонавтом», если вы пролетите более 80 км (почти 50 миль). Прыжки с парашютом Феликса Баумгартнера (он является рекордсменом по самому высокому вертикальному свободному падению без тормозов), как известно, называют «космическим прыжком», хотя он прыгнул только с высоты 39 км (около 24 миль).

Из всего этого можно сделать один вывод …

Следовательно, дело не в том, что ракеты просто хотят достичь «космоса»; они действительно могут сделать это, используя гораздо меньше топлива. Большинство ракет действительно хотят выйти на «орбиту» Земли.

Реактивное движение

Обычный воздушный шарик тоже может быть ракетой. Каким образом? Надуйте шарик и зажмите его горловину, чтобы воздух не выходил наружу. Теперь отпустите шарик. Он начнет летать по комнате совершенно непредсказуемо и неуправляемо, толкаемый силой вырывающегося из него воздуха.

Реактивное движение

Вот другая простенькая ракета. Поставим на железнодорожную дрезину – пушку. Направим ее назад. Допустим, что трение между рельсами и колесами очень мало и торможение будет минимальным. Выстрелим из пушки. В момент выстрела дрезина тронется вперед. Если начать частую стрельбу, то дрезина не остановится, а с каждым выстрелом будет набирать скорость. Вылетая из пушечного ствола назад, снаряды толкают дрезину вперед.

Сила, которая при этом создается, называется отдачей. Именно эта сила заставляет двигаться любую ракету, как в земных условиях, так и в космосе. Какие бы вещества или предметы ни вылетали из движущегося предмета, толкая его вперед, мы будем иметь образец ракетного двигателя.

Схема ракеты Союз

Ракета намного лучше приспособлена для полетов в космической пустоте, чем в земной атмосфере. Чтобы вывести в космос ракету, инженерам приходится конструировать мощные ракетные двигатели. Свои конструкции они основывают на универсальных законах мироздания, открытых великим английским ученым Исааком Ньютоном, работавшим в конце 17 века. Законы Ньютона описывают силу тяжести и то, что происходит с физическими телами, когда они движутся. Второй и третий законы помогают отчетливо понять, что представляет из себя ракета.

Почему взлетает ракета?

Даже среди людей, изучавших физику, случается нередко слышать совершенно превратное объяснение полета ракеты: она летит потому будто бы, что своими газами, образующимися при горении в ней пороха, отталкивается от воздуха. Так думали в старину (ракеты — давнее изобретение) 4. Однако если пустить ракету в безвоздушное пространство, она полетела бы не хуже, а даже лучше, чем в воздухе. Истинная причина движения ракеты совершенно иная. Очень понятно и просто изложил ее революционер — первомартовец Кибальчич в предсмертной своей записке об изобретенной им летательной машине. Объясняя устройство боевых ракет, он писал:

4 ()

«В жестяной цилиндр, закрытый с одного основания и открытый с другого, вставляется плотно цилиндр из прессованного пороха, имеющий по оси свободный канал. Горение пороха начинается с поверхности этого канала и распространяется в течение определенного промежутка времени до наружной поверхности прессованного пороха; образующиеся при горении газы производят давление во все стороны; но боковые давления газов взаимно уравновешиваются, давление же на дно жестяной оболочки пороха, не уравновешенное противоположным давлением (так как в эту сторону газы имеют свободный выход), толкает ракету вперед».

Рис.7. Самая древняя паровая турбина, приписываемая Герону Александрийскому

Здесь происходит то же, что и при выстреле из пушки: снаряд летит вперед, а сама пушка отталкивается назад. Вспомните «отдачу» ружья и всякого вообще огнестрельного оружия! Если бы душка висела в воздухе, ни на что не опираясь, она после выстрела двигалась бы назад с некоторой скоростью, которая во столько раз меньше скорости снаряда, во сколько раз снаряд легче самой пушки. В фантастическом романе Жюля Верна «Вверх дном» американцы задумали даже воспользоваться силой отдачи исполинской пушки для выполнения грандиозной затеи — «выпрямить земную ось».

Ракета — та же пушка, только извергает она не снаряды, а пороховые газы. По той же причине вертится и так называемое «китайское колесо», которым, вероятно, случалось вам любоваться при устройстве фейерверков: при горении пороха в трубках, прикрепленных к колесу, газы вытекают в одну сторону, сами же трубки (а с ними и колесо) получают обратное движение. В сущности, это лишь видоизменение общеизвестного физического прибора — «сегнерова колеса».

Интересно отметить, что до изобретения парохода существовал проект механического судна, основанный на том же начале; запас воды на судне предполагалось выбрасывать с помощью сильного нагнетательного насоса в кормовой части; вследствие этого корабль должен был двигаться вперед. Проект этот (предложенный Ремзи) не был осуществлен 5, однако он сыграл известную роль в изобретении парохода, так как натолкнул Фултона на его идею.

5 ()

Мы знаем также, что самая древняя паровая турбина, изобретенная Героном Александрийским еще во II веке до нашей эры, была устроена по тому же принципу; пар из котла (рис.7.) поступал по трубке в шар, укрепленный на горизонтальной оси; вытекая затем из коленчато-изогнутых трубок, пар толкал эти трубки в обратном направлении, и шар начинал вращаться. К сожалению, геронова паровая турбина в древности оставалась только любопытной игрушкой, так как дешевизна труда рабов никого не побуждала к практическому использованию машин. Но сам принцип не заброшен техникой: он применяется при устройстве реактивных турбин.

Рис.8. Паровой автомобиль, приписываемый Ньютону

Ньютону — автору закона действия и противодействия — приписывают один из самых ранних проектов парового автомобиля, основанный на том же начале: пар из котла, поставленного на колеса, вырывается в одну сторону, а сам котел в силу отдачи катится в противоположную (рис.8.).

Ракетные автомобили, об опытах с которыми в 1928 г. много писали в газетах и журналах, представляли собой видоизменение ньютоновой повозки.

Рис.9. Игрушечный пароходик из бумаги и яичной скорлупы

Для любителей мастерить на рис.9. показан бумажный пароходик 6, также очень похожий на ньютонову повозку: в паровом котле из опорожненного яйца, нагреваемом намоченной в спирте ваткой в наперстке, образуется пар; вырываясь струей в одну сторону, он заставляет весь пароходик двигаться в противоположную сторону. Для сооружения этой поучительной игрушки нужны, однако, очень искусные руки.

6 ()

Почему ракета взлетает?

Информация о материале

Категория: Физика

Ракеты поднимаются в космическое пространство за счет сжигания жидких или твердых топлив. После воспламенения в высокопрочных камерах сгорания эти топлива, обычно состоящие из горючего и окислителя, выделяют огромное количество тепла, создавая очень высокое давление, под действием которого продукты сгорания движутся в сторону земной поверхности через расширяющиеся сопла.

Так как продукты сгорания истекают из сопел вниз, ракета поднимается вверх. Это явление объясняется третьим законом Ньютона, в соответствии с которым для каждого действия существует равное по величине и противоположное по направлению противодействие. Поскольку двигателями на жидком топливе легче управлять, чем твердотопливными, их обычно используют в космических ракетах, в частности, в показанной на рисунке слева ракете Сатурн-5. Эта трехступенчатая ракета сжигает тысячи тонн жидкого водорода и кислорода для вывода космического корабля на орбиту.

Преодоление земного притяжения

Для быстрого подъема вверх тяга ракеты должна превышать ее вес примерно на 30 процентов. При этом, если космический корабль должен выйти на околоземную орбиту, он должен развить скорость около 8 километров в секунду. Тяга ракет может доходить до нескольких тысяч тонн.

1. Пять двигателей первой ступени поднимают ракету на высоту 50—80 километров. После того как топливо первой ступени будет израсходовано, она отделится и включатся двигатели второй ступени.
2. Примерно через 12 минут после старта вторая ступень доставляет ракету на высоту более 160 километров, после чего отделяется с пустыми баками. Также отделяется ракета аварийного спасения.
3. Разгоняемая единственным двигателем третьей ступени, ракета переводит космический корабль «Аполлон» на временную околоземную орбиту, высотой около 320 километров. После непродолжительного перерыва двигатели включаются снова, увеличивая скорость космического корабля примерно до 11 километров в секунду и направляя его в сторону Луны.

Двигатель F-1 первой ступени сжигает топливо и выводит продукты сгорания в окружающую среду.

Полет на Луну

После запуска на орбиту космический корабль «Аполлон» получает разгонный импульс в сторону Луны. Затем третья ступень отделяется и космический корабль, состоящий из командного и лунного модулей, выходит на 100-километровую орбиту вокруг Луны, после чего лунный модуль совершает посадку. Доставив побывавших на Луне космонавтов на командный модуль, лунный модуль отделяется и прекращает свое функционирование.